CN206332860U - LoRa网关 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于无线通信设备技术领域，具体涉及一种应用LoRa技术的网关；具体技术方案为：LoRa网关，包括嵌入式微型处理器的信号输入端与LoRa射频收发器的信号输出端连接，LoRa射频收发器与LoRa节点无线连接，嵌入式微型处理器的信号输出端分别与以太网通信模块、无线通信模块、4G通信模块连接，以太网通信模块的信号输出端、无线通信模块的信号输出端和4G通信模块的信号输出端均与云端服务器连接，LoRa节点将数据传输给LoRa网关内的LoRa射频收发器，LoRa射频收发器将数据传输给嵌入式微型处理器内进行信号处理，处理后的信号传输给云端服务器内，通用性和可靠性都得到保障。
Description
技术领域
本实用新型属于无线通信设备技术领域，涉及一种低功耗扩频通信设备，具体涉及一种应用LoRa技术的网关。
背景技术
随着物联网和无线通信技术的飞速发展，人们与信息网络已经密不可分，无线通信在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便携产品的强烈要求。短距离无线通信的低成本、相对其它无线通信技术的低功耗、及其对等通信特征等适应了飞速发展的便捷信息传输的需求。在技术、成本、可靠性及可实用性等各方面的综合考虑下，低功耗长距离无线通信技术成为了当今通信领域研究的热点。
目前市面上的采集终端主要是基于RTU技术，通过GPRS，3G,4G网络传输采集到的数据，每个采集终端造价高，而且在运营中需要支付给通信公司高额的流量使用费。通信数据受运营商接口的限制。只能遵循运营公司的标准来做传输，运行受到很大的局限。数据传输延时比较大，由于RTU服务器的限制每条数据传输需要有一定的时间间隔，达不到实时性数据传输的要求。
每个终端需要配置大功率的太阳能供电系统，维护成本很高，使用寿命低每隔2年就需要更换蓄电池。
高成本的采集终端导致采集器部署非常有限，以至于采集到的数据不足已给决策者提供准确有效数据分析能力，给管理层工作造成很大的困难。
实用新型内容
为解决现有技术存在的技术问题，本实用新型提供了一种应用于智慧城市、智慧水务和智慧农业等领域的通用网关，本实用新型利用LoRa技术的低成本、远距离和低功耗特点，有效提高系统通信实用性需求。
为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：LoRa网关，包括PCB板和安装于PCB板上的嵌入式微型处理器，嵌入式微型处理器的信号输入端与LoRa射频收发器的信号输出端连接，LoRa射频收发器上布置有LoRa射频天线，LoRa射频收发器与LoRa节点无线连接，嵌入式微型处理器的信号输出端分别与以太网通信模块、无线通信模块、4G通信模块连接，以太网通信模块的信号输出端、无线通信模块的信号输出端和4G通信模块的信号输出端均与云端服务器连接。LoRa节点将数据传输给LoRa网关内的LoRa射频收发器，LoRa射频收发器将数据传输给嵌入式微型处理器内进行信号处理，处理后的信号通过以太网通信模块、无线通信模块或4G通信模块传输给云端服务器内，通用性和可靠性都得到保障。
作为其中的一种信号输出线路，以太网通信模块包括路由器，路由器的信号输入端与嵌入式微型处理器的第一信号输出端连接，路由器的信号输出端与云端服务器连接，嵌入式微型处理器的数据通过路由器传输给云端服务器。
作为另一种信号输出线路，无线通信模块包括无线AP，无线AP的信号输入端与嵌入式微型处理器的第二信号输出端连接，无线AP的信号输出端与云端服务器连接，嵌入式微型处理器的数据通过无线AP传输给云端服务器。
作为另一种信号输出线路，4G通信模块通过USB数据线与嵌入式微型处理器连接，4G通信模块通过USB数据线与云端服务器连接，嵌入式微型处理器的数据通过4G通信模块传输给云端服务器。
嵌入式微型处理器上连接有指示灯，指示灯用于显示整个系统的运行状态，能够直观地看到系统的运行情况。
嵌入式微型处理器上连接有外部存储器，外部存储器可存储大量的外部数据。
嵌入式微型处理器上连接有UART接口，UART接口用于连接通用异步收发传输器，是一种通用串行数据总线，可实现双向通信。
嵌入式微型处理器上连接有I2C接口，I2C接口用于连接I2C总线，是一种双向的两线总线，提供集成电路之间的通信线路，接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率高。
嵌入式微型处理器上还连接有电源模块和欠压检测模块，电源模块为一节3000mAh电池，可使用5-10年，与传统的太阳能系统供电采集终端相比，成本更低，功耗小。
其中，作为优选的，外部存储器为8Mbyte的Flash存储器，可对采集数据进行记录，可对LoRa通用节点运行参数做日志记录。
其中，PCB板的四角均开有螺纹孔，PCB板通过自攻螺钉紧固。
本实用新型与现有技术相比，有益效果主要体现在：
低成本：系统利用LoRa扩频通信技术，实现了终端数据到云端的采集。终端节点通过LoRa网关接入互联网，每个LoRa网关可以接入多达5000个节点，只需要一条互联网接入通道。相比现有的RTU及其他采集设备，在很大程度的节约了终端采集器的成本，至少可以节省40%的成本。
远距离通信：LoRa网关和LoRa通用节点采用扩频无线通信技术最远可达20公里的通信距。LoRa通用节点和LoRa网关之间采用星型拓扑结构，同时节点可以在不同的网关之间无缝漫游通信，采用此通信模式延时小，更好地提高系统通信实时性要求。
多样性选择：本实用新型集成了多种数据传输线路，可选用多种方式接入IP网络。
附图说明
图1为本实用新型的控制简图。
图2为本实用新型的控制原理图。
图3为本实用新型的结构原理图。
图中，1为PCB板，2为嵌入式微型处理器，3为LoRa射频收发器，4为LoRa射频天线，5为LoRa节点，6为以太网通信模块，7为无线通信模块，8为4G通信模块，9为云端服务器，10为路由器，11为无线AP，12为外部存储器，13为指示灯，14为UART接口，15为I2C接口，16为第一信号输出端，17为第二信号输出端，18为电源模块，19为欠压检测模块，20为螺纹孔。
具体实施方式
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1-3所示，LoRa网关，包括PCB板1和安装于PCB板1上的嵌入式微型处理器2，嵌入式微型处理器2的信号输入端与LoRa射频收发器3的信号输出端连接，LoRa射频收发器3上布置有LoRa射频天线4，LoRa射频收发器3与LoRa节点5无线连接，LoRa节点5通过无线信号将数据传输给LoRa射频收发器3，嵌入式微型处理器2的信号输出端分别与以太网通信模块6、无线通信模块7、4G通信模块8连接，以太网通信模块6的信号输出端、无线通信模块7的信号输出端和4G通信模块8的信号输出端均与云端服务器9连接。LoRa节点5将数据传输给LoRa网关内的LoRa射频收发器3，LoRa射频收发器3将数据传输给嵌入式微型处理器2内进行信号处理，处理后的信号通过以太网通信模块6、无线通信模块7或4G通信模块8传输给云端服务器9内，通用性和可靠性都得到保障。
LoRa网关与LoRa节点5进行通信，将采集到的数据收集并转换成协议转发到云端服务器9，LoRa网关和云端服务器9采用标准IP网络协议，该技术具有低功耗、远距离传输的特点，采用LoRa WAN 协议更好地实现了多节点通信，LoRa网关集成了8通道无线接收器，更好地保证了数据接收的稳定性。无线接收器通过扩频技术使得此类接收机在125kHz的带宽下使用获得接近-140dBm的灵敏度。与FSK系统相比，这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB，这样，使得同样的通信距离发射功率就会降低，从而实现低功耗长距离的通信。
其中，嵌入式微型处理器2集成了一台微处理器，基于ARM架构，内嵌linux操作系统，集成LoRaWAN协议。通过SPI接口和射频模块通信，有4个标准USB接口和一个10/100M以太网口，支持POE9-36V供电。
TF卡插座支持标准SD卡，SD卡用于存储数据和软件系统，自带WLAN模块。
作为其中的一种信号输出线路，以太网通信模块6包括路由器10，路由器10的信号输入端与嵌入式微型处理器2的第一信号输出端16连接，路由器10的信号输出端与云端服务器9连接，嵌入式微型处理器2的数据通过路由器10传输给云端服务器9。
作为另一种信号输出线路，无线通信模块7包括无线AP11，无线AP11的信号输入端与嵌入式微型处理器2的第二信号输出端17连接，无线AP11的信号输出端与云端服务器9连接，嵌入式微型处理器2的数据通过无线AP11传输给云端服务器9。
作为另一种信号输出线路，4G通信模块8通过USB数据线与嵌入式微型处理器2连接，4G通信模块8通过USB数据线与云端服务器9连接，嵌入式微型处理器2的数据通过4G通信模块8传输给云端服务器9。
嵌入式微型处理器2上连接有指示灯13，指示灯13用于显示整个系统的运行状态，能够直观地看到系统的运行情况。
嵌入式微型处理器2上连接有外部存储器12，外部存储器12可存储大量的外部数据。
嵌入式微型处理器2上连接有UART接口14，UART接口14用于连接通用异步收发传输器，是一种通用串行数据总线，可实现双向通信。
嵌入式微型处理器2上连接有I2C接口15，I2C接口15用于连接I2C总线，是一种双向的两线总线，提供集成电路之间的通信线路，接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率高。
嵌入式微型处理器2上还连接有电源模块18和欠压检测模块19，电源模块18为一节3000mAh电池，可使用5-10年，与传统的太阳能系统供电采集终端相比，成本更低，功耗小。
其中，作为优选的，外部存储器12为8Mbyte的Flash存储器，可对采集数据进行记录，可对LoRa通用节点运行参数做日志记录。
其中，PCB板1的四角均开有螺纹孔20，PCB板1通过自攻螺钉紧固。
工作流程: LoRa网关射频通信模块接收LoRa通用节点发来的数据，在系统内部做差错校验和完整性检测以后，把正确的完整数据转发给云服务器。网关同时担任服务器发来的数据转发给LoRa通用节点。
LoRa通用节点采用STM32L052低功耗32位MCU做主控器,内嵌LoRaWAN无线通信协议，有信号碰撞检测机制，自适应速率，面对复杂的环境有超强抗干扰机制。自带了ACK信号确认，有效保障了通信可靠性要求。发射功率根据通信距离的RISS值自动调整，有效地实现了低功耗通信的要求。内置超强休眠机制，睡眠电流可低至10uA级，1节电池3000mAh高能锂电池可供节点使用5-10年。
LoRa通用节点设计了4-20mA电流环采集模块，用于采集各种传感器电流信号。该节点设计满足大部分传感器接口的要求做到了通用性，升级更换传感器或应用方式改变时候无需更换终端节点。
传感器被换能器接收转换成电信号，电信号再通过高精度AD转换器转换成数字信号，通过LoRaWAN传送到网关，每个终端节点有一个唯一的ID码做标识，服务器通过ID码来识别水位传感器的安装位置。
LoRa通用节点内有数字滤波器，对采集的数据做分析，去掉杂波有干扰的数据，保证数据的准确性。
内部集成了8Mbyte的Flash存储器，可对采集数据进行记录，可以对LoRa通用节点运行参数做日志记录。
云端服务器9是数据汇总的中心数据库，该系统实现数据存储，节点终端设备管理，远程设备维护升级，大数据分析，根据历史数据智能校准数据，自建私有云系统，保障数据私密性，数据可视化。
长距离低功耗是本系统的特点，体现在实际应用中是成本大范围的降低，使得水位采集的密度提高，有效地为防洪抗旱提供第一手数据资料，对抗旱防汛决策起了至关重要的作用。
此系统利用LoRa扩频通信技术，实现了终端数据到云端的采集。LoRa通用节点通过LoRa网关接入互联网，每个LoRa网关可以接入多达5000个LoRa通用节点，只需要一条互联网接入通道，很大程度的节约了终端采集器的成本。以一个RTU终端通信服务费每年120元计算，5000个节点每年产生的流量月租费用达5000*120=60万元，而采用此LoRa系统运营费用仅需一条普通4m ADSL线路或光纤接入的费用，此费用大约在每年600-2000元。随着李克强总理对宽带运营提速降费的部署，此项费用还在降低。
LoRa网关和LoRa通用节点终端采用扩频无线通信技术最远可达3-10公里的通信距。LoRa通用节点和LoRa网关之间采用星型拓扑结构，同时LoRa通用节点可以在不通的LoRa网关之间无缝漫游通信，采用此通信模式延时小，更好地提高系统通信实时性要求。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本实用新型范围内。
Claims (7)
1.LoRa网关，其特征在于，包括PCB板（1）和安装于PCB板（1）上的嵌入式微型处理器（2），所述嵌入式微型处理器（2）的信号输入端与LoRa射频收发器（3）的信号输出端连接，LoRa射频收发器（3）上布置有LoRa射频天线（4），LoRa射频收发器（3）与LoRa节点（5）无线连接，嵌入式微型处理器（2）的信号输出端分别与以太网通信模块（6）、无线通信模块（7）、4G通信模块（8）连接，以太网通信模块（6）的信号输出端、无线通信模块（7）的信号输出端和4G通信模块（8）的信号输出端均与云端服务器（9）连接。
2.根据权利要求1所述的LoRa网关，其特征在于，所述以太网通信模块（6）包括路由器（10），路由器（10）的信号输入端与嵌入式微型处理器（2）的第一信号输出端（16）连接，路由器（10）的信号输出端与云端服务器（9）连接；
所述无线通信模块（7）包括无线AP（11），无线AP（11）的信号输入端与嵌入式微型处理器（2）的第二信号输出端（17）连接，无线AP（11）的信号输出端与云端服务器（9）连接；
所述4G通信模块（8）通过USB数据线与嵌入式微型处理器（2）连接，4G通信模块（8）通过USB数据线与云端服务器（9）连接。
3.根据权利要求1所述的LoRa网关，其特征在于，所述嵌入式微型处理器（2）上还连接有外部存储器（12）、指示灯（13）、UART接口（14）和I2C接口（15）。
4.根据权利要求2所述的LoRa网关，其特征在于，所述嵌入式微型处理器（2）上还连接有电源模块（18）和欠压检测模块（19）。
5.根据权利要求4所述的LoRa网关，其特征在于，所述电源模块（18）为3000mAh高能锂电池。
6.根据权利要求3所述的LoRa网关，其特征在于，所述外部存储器（12）为8Mbyte的Flash存储器。
7.根据权利要求5所述的LoRa网关，其特征在于，所述PCB板（1）的四角均开有螺纹孔（20）。
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